涡簧储能与新能源供电的制作方法

本发明涉及涡簧储能系统，尤其涉及应用于间歇性新能源电网供电的涡簧储能系统。

背景技术：

1、目前的电力电网，亟待一种普遍适用的储能技术，能够以足够低的度电成本，解决新能源的间歇性问题；以使规模急剧增长的风力发电、光伏发电等及时并网应用，消除日益严重的弃风弃光现象；以尽快取代污染严重的传统化石能源，保护地球环境。

2、光伏发电、风力发电等新能源的间歇性变化，常常快速而紊乱且难以预测；只有配备储能，抹平这种间歇性变化，电网的供电才能稳定；涡簧用于储能早已被机械钟表等实践验证，拧紧发条(即涡簧)只需一分钟，却能保证指针连续平稳运转半月之久。

3、平面涡卷弹簧简称涡簧，是连续变径卷曲的中线呈平面涡旋形态的弹性钢带；涡旋轴垂直中线平面；扭转涡簧卷紧时，输入的旋转动能存储为涡簧的弹性势能，涡簧扭转松开时，涡簧的弹性势能释放为输出的旋转动能；涡簧可以一端固定另端工作，也可以如发条那样两端同时分别工作；涡簧的相邻圈层接触贴合即接触式涡簧，可以锁住弹性势能减小扭力变化，这有利于涡簧储能系统相关的电动机与发电机，其性能的合理运用。

4、多个涡簧同心串连组成涡簧组串，加大涡簧的尺寸尤其是厚度，提高涡簧材料的弹性模量与硬度等，均可以提高其储能密度与容量；储能功率一定，涡簧的储能密度与容量越大，弯曲变形幅度即曲率变化越小，因此更加不易发热不易疲劳，即储能效率越高，使用寿命越长，因而度电成本尤其是长期度电成本越低；涡簧的储能密度越大，与动能相互转换的传导响应速度越快。

5、涡簧储能即涡簧结合变速齿轮，对于电力电网，与其它储能方式比较优势明显：1、源于涡簧与变速轮组的机械特性，其弹性势能与外部旋转动能的相互转换快速而高效；2、弹性势能的存储不会随时间而衰减；3、对环境友好不会排放有毒物质；4、安全无爆炸风险；5、工艺简单成本低廉。

6、在能量的最终利用方式中，旋转动能的占比最大；弹性势能与旋转动能同属机械能，而且通过电力相互转换，相关的电动机与发电机，均具有极高的效率；因此涡簧储能做为基本储能方式，对于地面电站有其必然性。

7、变速轮组两端符合杠杆原理，高速端转速高而扭矩小，低速端转速低而扭矩大；因此能够锁住涡簧的弹性势能，加快存储，延缓释放；电动机能以较小的新能源动力，扭转较大的涡簧卷紧，实现微光发电、微风发电；发电机能以较小的电网负载，平衡较大的涡簧扭转松开，实现供电的连续性、稳定性；涡簧的储能密度越大，其扭矩越大，需要变速轮组的变速比也就越大。

8、经检索，已知的涡簧储能系统由涡簧组串、变速轮组、电动机/发电机等构成；涡簧组串均为一端工作另端固定；涡簧组串的工作端，同心连接变速轮组的低速端；当新能源的发电功率大于电网的用电功率，电动机扭转变速轮组的高速端，将多余部分新能源电力存储为涡簧的弹性势能；当新能源的发电功率小于电网的用电功率，变速轮组的高速端反向扭转发电机，将涡簧的弹性势能释放为不足部分电网电力。

9、这种一端工作另端固定的涡簧储能系统，其缺陷在于，大部分新能源发电过程没有经过变速轮组转换，因此效率低成本高；因此横轴风力发电机必须采用三个狭长叶片，其作用与变速轮组相同，就是增加扭矩；其实光伏发电也存在类似问题，简单讲由于光伏电池本身存在并联电阻，因此电动机做为负载的阻力越大，光伏电池的输出效率必然越低；换言之，通过变速轮组减小电动机的旋转阻力，可以提高光伏电池的输出效率。

10、这种一端工作另端固定的涡簧储能系统，还会导致经常性地出现涡簧卷紧与松开、变速轮组减速与加速的频繁变向切换；切换需要响应时间，响应时间源自涡簧储能系统的机械运动惯性，无可缩减；因此必然会损害涡簧储能系统的机械性能；同时无可避免会造成电网紊乱波动，而涡簧储能系统的弹性优势与缓冲作用却无从发挥。

11、光伏电池发电属于直流电，并网之前还需要逆变成交流电，因此还需要化学电池储能；目前逆变器的使用寿命只有十年左右，成本占比可达8％左右，还会降低光电转换效率；化学电池储能输出的电力同样属于直流电，即是说不会省却逆变器成本，仍然需要减除逆变器效率。

技术实现思路

1、本发明的涡簧储能系统目的在于，将间歇性的新能源转换成连续平稳的电网电力并大幅降低其度电成本；

2、本发明的实现方案是：涡簧、环片、外圈、内圈多组同心叠合，涡簧外端连接外圈，涡簧内端连接内圈，外圈上端连接上侧环片外缘，内圈下端连接下侧环片内缘，转动串连构成涡簧组串；太阳轮、行星轮、行星架、内齿圈构成行星变速轮组，前级行星架连接后级太阳轮构成减速轮组，前级太阳轮连接后级行星架构成加速轮组；减速轮组的低速端扭转涡簧组串的输入端，涡簧组串的输出端扭转加速轮组的低速端。

3、减速轮组和加速轮组的内齿圈共同连接外壳轴向定位；环片内缘向下凸出卡住下侧内圈上端径向定位；电动机扭转减速轮组的高速端，加速轮组的高速端扭转发电机。

4、本发明不仅可以消除光伏发电、风力发电等的间歇性，而且可以大幅提高转换效率降低转换成本；对于风力发电可以缩减其叶片长度；对于光伏发电可以替代逆变器功能；最终大幅降低新能源的度电成本。

技术特征：

1.涡簧储能，其特征是，涡簧、环片、外圈、内圈多组同心叠合，涡簧外端连接外圈，涡簧内端连接内圈，外圈上端连接上侧环片外缘，内圈下端连接下侧环片内缘，转动串连构成涡簧组串；太阳轮、行星轮、行星架、内齿圈构成行星变速轮组，前级行星架连接后级太阳轮构成减速轮组，前级太阳轮连接后级行星架构成加速轮组；减速轮组的低速端扭转涡簧组串的输入端，涡簧组串的输出端扭转加速轮组的低速端。

2.根据权利要求1所述的涡簧储能，其特征是，减速轮组和加速轮组的内齿圈共同连接外壳轴向定位。

3.根据权利要求1所述的涡簧储能，其特征是，环片内缘向下凸出卡住下侧内圈上端径向定位。

4.涡簧储能系统，其特征是，权利要求1、2、3所述的涡簧储能，其输入端由电动机扭转，其输出端扭转发电机。

技术总结
涡簧储能与新能源供电，属于涡簧储能系统；已知的相关技术，没有正确和全程运用涡簧储能系统，因此未能彻底解决新能源的间歇性问题，并因此增加了额外的成本；为解决上述问题，本发明的技术方案是，由电动机扭转减速轮组的高速端，减速轮组的低速端扭转涡簧组串的输入端，涡簧组串的输出端扭转加速轮组低速端，加速轮组的高速端扭转发电机；本发明充分发挥了涡簧储能的特性，动能的输入输出高效平稳，并且完全消除了其频繁切换的弊端。

技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：大连金刚科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17